PLC、变频器在中央空调冷却水泵节能循环控制中的应用毕业论文.doc

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1、本科生毕业论文（ 2012 届 ） 学 生 姓 名 院 （系） 武汉理工大学独立本科段 专 业 机电一体化 学 号 014210110813 导 师 论 文 题 目 PLC、变频器在中央空调冷却水泵节能循环控制中的应用 摘 要 在传统的中央空调系统中,冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%14%,并且在冷冻主机低负荷运行中,其耗电更为明显,冷冻水、冷却水循环用电约达30%40%。因此对冷冻水、冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调节能改造的重要组成部分。本文着重介绍PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用。中央空调采用变频调速技术,使电机在很宽范围内平滑调速,可将所有节流阀去掉,使管道畅

2、通,可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速,从而改变水的流量,达到制冷机的正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求,从而达到节能的目的,电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制的。关键词：PLC 变频器 冷却水泵 节能ABSTRCT In the traditional central air conditioning system, freezing water, cooling water circulation electricity accounts for about 12% 14% of the electricity system, and in the frozen

3、 host low-load running, the power consumption is more apparent, freezing water, cooling water circulation electricity about to reach30% 40%.So to freezing water, cooling water circulation system of energy automatic control is central air conditioning is an important part of the energy saving transfo

4、rmation. This paper introduces the P L C, inverter in cooling water pump energy saving circulation applications. The central air conditioning by inverter technology, make motor in a wide range smooth speed, can remove the entire throttle, make the pipeline flow, can free throttling loss. Through the

5、 change the motor speed and change in water velocity to change the flow of water to the normal work of the chiller requirements and heat load balance required cold quantity requirements, so as to achieve the purpose of saving energy. The motor is variable frequency speed regulation system by PLC con

6、troller and the controlof the switch. Keywords: PLC converter cooling water pump energy saving 引 言经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定。对中央空调控制系统运行效果的优劣评价标准也随着时代发生了很大的变化。早期的中央空调系统的运行效果好坏取决于是否够“冷”。如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按

7、照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造以实现节能、舒适的目的。传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，如何控

8、制空调系统的电能费用已经成为越来越多空调的经营管理者所关注的问题。故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。寻找一种节能效果明显，性能稳定可靠的控制系统成为当务之急。本文所研究的基于Profibus网络的中央空调变频节能控制系统即是在这样的背景下进行的。其对冷冻和冷却水系统实施变频调速技术，可以根据负荷变化情况适时降速或增速，提高了系统自动化控制水平，避免长期固定在工频运行。这样不仅可以节能增效，而且利于营造恒温舒适的环境，减轻设备机械磨损，易于维护，降低生产成木。Profibus现场控制网络的引入，实现了变频器、P L C 等设备之间的可靠

9、通讯，并为工业网络与企业网络的无缝链接做准备，管理者不必亲临现场就可对机房运行情况实施监控。 目 录第一章 绪 论1.1本课题的研究背景及意义11.2 PLC、变频器在冷却水泵节能方面研究现状11.2.1本课题在国内外的现状11.2.2 本课题在国内外的发展趋势2第二章 理论分析32.1 中央空调系统的一般结构与工作原理2.2 中央空调冷水机组系统的组成以及工作原理32.3中央空调系统的节能原理52.4水泵的变频节能原理62.5水泵的变频节能改造方案62.5.1节能改造方案选择62.5.2 主电路控制方案72.5.3 空调系统水泵变频中注意问题82.6 变频控制系统的硬件构成92.7 PLC

10、控制冷水机组的原理112.7.1 PLC控制系统方案112.7.2 PLC控制系统的其他特点132.7.3 主要部分PLC程序设计：132.7.4 人机界面设计142.8 冷却水系统使用变频器节能计算162.9设备选型方案182.9.1 PLC的选型182.9.2变频器的选型182.9.3 PLC的输入输出模块选型192.9.4 温度传感器选型19第三章 总结与展望3.1 总结203.2 展望20致 谢21参考文献22第一章 绪 论 本章首先简单介绍了本课题的研究背景和发展现状、研究意义，然后对PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用近年来国内外的研究进行了分析，最后介绍了本文的主要研究内容

11、。1.1本课题的研究背景及意义PCL、变频调速技术在中央空调冷却水泵系统中的应用针对社会发展中出现的热点和难点问题选题研究，现如今的社会，讲究环保、节能、可持续发展，如何在给人类提供方便舒适的生活环境下而尽量的节约能源成为了社会的热点话题，空调是现代化楼宇中不可缺少的一部分，随着我国经济的不断发展和城市化进程的不断推进，中央空调的应用会越来越广泛。但是中央空调的能耗非常大，约占整个建筑总用电量的60%-70%。对中央空调系统的节能研究、节能改造显得尤为重要。由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在

12、较大的富余，所以节能的潜力就较大。1其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。再因水泵采用的是Y-起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的34倍，一台90KW的电动机其起动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水垂现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备

13、件费用。综上，为了节约能源和费用，需对水泵系统进行改造，经市场调查与了解采用成熟的变频器来实现，以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。1.2 PLC、变频器在冷却水泵节能方面研究现状1.2.1本课题在国内外的现状中央空调在正常运行时，需要根据室内外的工作环境温度、使用空调的空间大小和设定的温度、冷却水温度的变化量等变量的变化，不断调整自身的运行状况，从而实现既能保证空调的舒适性又能尽量降低能耗的双重目标。故此，

14、中央空调的控制系统对于一个空调的性能起了至关重要的作用。大部分中央空调的冷水机组基本都是由人工设定的钟控装置控制，系统定时启动和定时关闭，每天长时间全开或者全关，轮流运行，这样对电网频繁的冲击，不仅恒温效果不佳，让人感到不舒适，同时也浪费了大量的电能，工程设计人员进行空调系统节能控制方面的研究，在目前应用的系统中往往偏重于设备的运行控制管理办法，因为得到了广泛的应用。1.2.2 本课题在国内外的发展趋势变频节能空调近几年来成为我国空调市场上的新宠，拥有变频调速系统的中央空调能够通过温度反馈改变电机的转速使制冷量和环境达到一个平衡，具有更节能、更舒适、更环保的特点。变频空调在日本的市场占有率已超

15、过90%以上，在欧美等发达国家的市场占有率也超过50%。2009冷年以来，变频空调在我国国内市场的发展更是日新月异，销售增速达56.24,销量已占空调总销量的17.33。据有关专家预测,2010冷冻年度变频空调市场份额有望达25。据统计，我国电动机装机总容量约4亿多KW，其用电量占当年全国发电量的60%70%，而风机、水泵设备装机总功率达1.6亿KW，年耗电量3200KWh，约占当年全国电力消耗总量的1/3。而应用变频器节电率一般在20%60%，投资回收期13年，经济效益相当可观。所以大力推广应用变频调速技术不仅是当前推进企业节能降耗、提高产品质量重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要

16、求。 第二章 理论分析 2.1 中央空调系统的一般结构与工作原理中央空调系统一般主要由制冷压缩机系统、冷媒(冷冻和冷热)循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等组成。其工艺结构流程图如图2.1所示，在图2.1中制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂(冷媒介质如R134a、R22等)压缩成液态后送蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降温的目的。冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到

17、冷凝器中去恢复常压状态，以便冷媒在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走。冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵(在夏季称为冷冻水泵)将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层图2.1中央空调系统工艺结构流程图的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。理解中央空调系统工艺流程对于节能改造的实现至关重要，从因果关系角

18、度上看，冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机系统均是主压缩机系统的从动系统。当主压缩机系统的负荷发生变化时，对冷冻水、冷却水的需求量和冷却塔需求的冷却风量也发生相应的变化，正因如此，我们才有节能改造的必要前提条件，才有实现“按需分配”控制方案的可能。2.2 中央空调冷水机组系统的组成以及工作原理 用水特点在供水系统中，用户抽用的水是消耗掉的。它并不回到水泵的进水口，对拖动系统毫无反馈作用。在供水系统中，当通过改变转速来调节流量时，扬程也随之改变，并且，扬程是和转速的平方成正比。 功率与扬程和流量的乘积成正比，而流量和转速成正比，因而功率与转速的三次方成正比：Q1Q2=nln2。在循环水系统中，所

19、用的水是并不消耗的，从水泵流出的水又将流回水泵的进口处，并且回水本身具有一定的动能和位能，将反馈到水泵的进水口。在通过改变转速来调节流量时，扬程并无变化。更准确地说在循环水系统中，用扬程来描述水泵的做功情形是不够准确的。功率与扬程和流量的乘积成正比，流量和转速成正比，此处扬程不变。所以，在循环水系统，水泵的功率是和转速的平方成正比。由上式可知，在中央空调循环系统中，当循环泵转速下降12时，流量下降12，功率下降14，即功率与转速成2次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。在不装变频器

20、时，泵的出口流量靠阀门控制调节，流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后，可以降低泵的转速，泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而消除了原来消耗在泵出口阀门上的管压差。例如：将供电频率由50/Hz降为40 Hz，则P40/Pso=(40/50)2=0.640，即P加=0.640P50(P为电机轴功率)；将供电频率由50 Hz降为30 Hz，则P30Pso=(30/50)2=0.36，即P30=0.36P50(P为电机轴功率)。由以上内容可以看出，用变频器进行流量控制时，可节约大量电能。而用阀门、自动阀调节不仅增大了系统节流损失，而且由于对空

21、调的调节是阶段性的，造成整个空调系统工作在波动状态；而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频器则可一劳永逸地解决该问题，还可实现自动控制，并可通过变频节能收回投资。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。根据负荷变化的反馈信号经PLC进行PID调节与变频器组成闭环控制系统，使泵的转速随负荷变化，这样就可以实现节能，尤其在北方地区，春、秋两季及早晚温差较大，变频调速节能的效果更加显著。2.2 中央空调冷水机组系统组成图2.3 制冷压缩机系统的原理图 由图2.2可以看出，中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成，即冷却水循环系统和冷冻

22、水循环系统，压缩机（图2.3）不断地从蒸发器中抽取制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中，制冷剂和冷却水在冷凝器中进行热交换，制冷剂放热后变为高压液体，通过热力膨胀阀后，液态制冷剂压力急剧下降，变为低压液态制冷剂后进入蒸发器，在蒸发器中，低压液态制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量，冷冻水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的，温度升高了的循环水回到冷冻主机又成为了冷冻水，而变为低压蒸汽的制冷剂，在通过回气管重新吸入压缩机，开始新的一轮制冷循环。而冷却水在与制冷剂完成热交换之后，由冷却水泵加压，通过冷却水管道到达散热塔与外界进行热交换，降温后的冷却水重新流入冷冻主

23、机开始下一轮的循环。2.3中央空调系统的节能原理 中央空调系统按负载类型可分为两大类，变转矩负载:如冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔风机系统等风机、水泵类负载;恒转矩负载:如主制冷压缩机系统。不同的转矩类型具有完全不同的转矩功率关系特性，我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立: n1/n2q1/q2 ,h1/h2(n1/n2), p1/p2(n1/n2) ,其中，n、h、q、p分别表示转速、流量、扬程、轴功率。它们之间的关系曲线如图2.4所示。 由式(1)可知，若转速下降到额定转速的70%，那么，扬程将下降到额定值的50%，同时，轴输出功率下降到额定值的35

24、%。从图2.4中可以看出，管网的阻尼随扬程的降低而减小。在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流量的50%时，在变频控制方式下，其对应输出功率仅约为额定功率的13%。这就为实施变频节能技术改造提供了数学理论上的可行性保障空间。图2.4 流量、扬程、功率三者间的关系曲线图2.4水泵的变频节能原理中央空调进行热交换的大小由冷冻水的流量控制，通常采用的流量控制方法有阀门控制和调述控制4。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量，如果采用调速控制，冷冻水的流量由冷冻泵电机的转速决定，电机的耗电量决定于电机的输出功率，输出功率与电机转速的立方成正比，而电机转速

25、与供电频率成正比，所以电机转速稍有下降，即稍微降低供电频率，输出功率将大幅度下降，若电机转速能根据实际所需的热交换量来调整，电机的功率将大大减少，从而显著节约电能。2.5水泵的变频节能改造方案2.5.1节能改造方案选择 （a）冷却水系统 （b）冷冻水系统图2.5 循环水系统 冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成了冷却水循环系统。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水送回到冷冻机组。回水的温度将高于进水的温度，形成温差，所以对于冷却泵，通过检测进水和回水的

26、温度差来实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，可以提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。从冷冻主机流出的冷冻水流经所有的房间后回到冷冻主机。无疑，回水的温度将高于出水的温度，形成温差。出水管和回水管上装有检测温度的变送器。与PLC和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制泵的转速也是可行的，回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度。反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。变频控制原理图如

27、图2.6所示图2.6 中央空调变频控制原理图2.5.2 主电路控制方案一台变频器控制一台水泵，首先“1号泵”启动，进行变频控制，当“1号泵”变频器的输出已经上升到50HZ，而温差仍高于设定值时，“2号泵”启动并升速，使“1号泵”和“2号泵”同时进行变频控制。而“1号泵”变频器的输出频率下降到下限频率30HZ时，“2号泵”减速并停止运行，系统又进入到由“1号泵”单独进行变频控制7。为了平衡两台水泵的工作情况，可以进行切换，使两台水泵轮流担任主泵。2.7变频节能系统组成框图：图2.7 变频节能系统组成框图2.5.3 空调系统水泵变频中注意问题在某些中央空调系统中,没有考虑冷冻水、冷却水系统各自的特

28、点而都选择了采用供、回水压差或压力作为变频控制的信号源,结果在运行中发现冷却水泵的频率基本上总是维持在50Hz,从而使冷却水泵的变频形同虚设。我们知道,在冷冻水系统中,随着空调负荷的减少,由于管路上一些阀门的开度自动发生变化,使冷水机组供、回水管路上的压力(差)也随之变化,且随动关系较为紧密;而在冷却水管路中,由于没有设置与空调负荷密切相关又能自动调节压力的装置,使得管路中的压力与空调负荷之间不存在直接的自动依变关系,因此,尽管空调负荷变化了,冷却水管路中的压力也不会跟着变化。可见,在现有的冷却水系统中,要实现冷却泵的变频控制,压力发信方式是不起作用的,最好是采用冷却水温度或温差发信方式。(1

29、)节能效果的好坏完全取决于操作人员的技术水平、经验和素质。由技术水平高、经验丰富的操作人员进行调整,其效果往往较好;反之,则效果就较差。同时,操作人员的责任心也对节能效果有很大的影响:有高度责任感的操作人员可随时根据需要调整水泵转速,从而取得较好的节能效果无责任感的则可能不采取任何措施,或者始终让水泵运行在低于额定值的某一个转速,其节能效果自然较差。因此,在部分负荷时,手动控制也能取得一定处。(2)控制不及时,且始终受操作人员操作时间间隔长短的影响。由于操作人员不可能时时刻刻对系统的工作状况进行监测并及时采取相应的措施,使得系统所需要的水流量与实际所提供的水流量之间仍然存在差异,势必影响系统的

30、节能效果,严重时还导致系统不能正常工作。对负荷变化比较大的中央空调系统,可能在某个时刻负荷较小,水泵运行在较低的转速下面;当负荷升高时,如果操作人员没能及时监测到这一状况而没采取提速措施,就会引起冷水机组的工况恶化而可能造成保护性停机(如冷却水不足导致冷凝压力过高停机等)。据笔者了解,目前各单位中央空调运行管理操作人员均为每1小时或2小时填写一次记录表,而且操作人员往往只在填表的时候才会观察系统的工作状况,其它时间内一般不会去巡视,因此这一问题应引起特别关注。(3)控制参数与控制依据不明确很显然,根据何种运行参数来控制水泵的转速在这种控制方式中得不到具体体现,其控制依据仅仅是操作人员自己的经验

31、。而对于不同的人,判断空调负荷的方法也可能各不相同(如有的按温度或温差判断,有的则按压差或压力判断,还有的按冷水机组显示的负荷百分比或电流值判断等等),由此必然引起判断结果的差异,进而造成控制依据的不统一和混乱,必然会影响其效果。笔者认为,既然已经为水泵配置了变频调速装置,其控制最好是采用自动的闭环控制方式,这样成本增加并不多、实现起来也不困难,而且能增加控制的稳定性、提高节能效果而缩短投资回收期。 多泵并联系统中变频器与泵运行控制决策不当在多数中央空调系统中,往往是多台冷冻水泵并联工作,冷却水泵亦然。在这种并联泵系统中如何配置变频器,如何确定部分负荷时水泵的运行控制方案应该引起注意,因为既可

32、采用一台变频器对多台水泵进行切换控制,也可采用多台变频器对多台泵进行控制,虽然这两种方案都能实现全流量范围内的节能,但在实际中千万不能草率,一定要根据身空调系统的特点来决定采用哪种配置,尤其是要正确选择与之相关的运行控制方案,否则会的节能效果,但显然没有充分利用变频节能的好带来深刻的教训。2.6 变频控制系统的硬件构成 图2.8系统网络结构图由于本控制系统是在原系统基础上的变频节能改造，考虑到原控制系统的具体情况和工程成本等因素，将控制系统设计为通过PROFIBUS 总线协议通讯的主从式控制结构。系统中各设备由现场控制器实行本地直接自动控制。系统的控制参数的显示及修改通过触摸屏操作。预留以太网

33、通讯接口，便于以后的升级，与监控计算机互连，实现远程集中监控。温度压力信号的采集由传感器采集出的模拟量信号通过远程I/O 站转换并通过PROFIBUS 发送到PLC。选用西门子的PLC 及变频器系统。控制系统由主控制柜和从控制柜组成，网络结构如图2.8所示。主控制柜中采用西门子紧凑型P L C313C-2 DP 作为主PLC，该PLC 上集成了PROFIBUS DP 通讯口，并且集成了16DI/16DO。主控制柜上配置MP277 触摸屏，通过PROFIBUS 与PLC 相连，可以用来显示现场状态和报警信息等。6台驱动柜对应驱动6台水泵，编为一二三号冷冻驱动柜和冷却驱动柜。驱动柜中安装西门子专用

34、于驱动风机泵类的变频器MM4306及ET200M 远程I/O 站。每台变频器进线端子连到原单机柜的启动按钮控制的继电器下端，出线接回原柜。变频器配置有PROFIBUS 通讯选件，可以与PLC进行PROFIBUS 通信。为了增加通讯线路的抗干扰性同时保证通讯质量，采用西门子标准PROFIBUS通讯电缆。通过设定PROFIBUS 网络两端的终端电阻，可以减少由于不匹配而引起的反射，并能吸收噪声，有效地抑制噪声干扰。根据现场实际情况，PROFIBUS通讯速率设定为500kbps。3对变频器的控制变频器的输入输出连接见图2.8从原控制柜星三角启动接触器引出的380V电源被送入驱动柜，连到空气开关，从空

35、气开关下端输出，一端连到变频器的电源输入端，一端连到接触器K2。变频器的输出端连到接触器K1。接触器K1和K2的输出连到共同的输出端子送到水泵电源输入端。 图2.9变频器连接图在合上空气开关时，通过接触器K 1和K2的选择接通就可实现工频与变频的转换。工频输出有两种情况：一种是手动工频输出。通过触摸屏选择手动模式，再在驱动柜的工频与变频的切换开关选择工频输出。另一种情况是故障工频输出。当变频器出现故障，将故障信号通过PROFIBUS输出给主P L C ，P L C 判断确为变频器故障，非水泵故障，则通过PROFIBUS 控制ET200M 远程I/O 站，输出信号释放接触器K 1 ，吸合接触器K

36、 2 ，工频输出；如判断确为水泵故障，通过PROFIBUS 停止变频器输出，开启备用泵。PLC 对变频器的控制传统的对变频器的输出频率控制是通过向变频器的模拟量端子输入420mA 电流信号，实现输出频率0 50Hz 之间调节。这种方法实现简单，设备投资较少。但控制精度相对较差，无法将自身运行状态向主控系统反馈。在设计的系统中PLC对变频器的控制是通过PROFIBUS 网络进行。通过PROFIBUS 通讯（最大速率可达12Mbps），变频器中众多的参数变量都可经由网络被PLC 调用和修改。MM430 变频器通讯的报文有效数据块可以分为两个区域，即P K W 区（参数识别ID- 数值区）和PZD

37、区（过程数据）。PKW 区共有4 个字，通过P K W 区，用户可以读取或修改M M 4 3 0 变频器的参数。PZD 区是为控制和监测变频器而设计的，在对于主站发送给变频器的P Z D 任务报文，其第一个字是变频器的控制字（S T W ），控制字1 6 位的每一位都具有已定义的意义，包括启动、停止、故障确认等，如表1所示。报文的第二个字是主设定值（H S W ），即频率设定值，由PLC 给定。对于变频器发送给主站的PZD 应答报文，其第一个字是变频器的控制字（Z S W ），反映了变频器当时的运行状态，如故障、报警、过载等，如表2009-7-24-22 所示。报文的第二个字是主要的运行参数实

38、际值，通常将其定义为变频器的实际输出频率。此外，P Z D 报文的长度通常可以被定义为04 个字，可以通过BiCo 互联读取变频器当前的一些状态，如输出电压、直流母线电压、输出电流等。 表2-1 STW 和HSW 的定义2.7 PLC 控制冷水机组的原理2.7.1 PLC控制系统方案试验前泵站原有一台75kw冷冻机为全厂集中空调提供循环冷却用水，其中有4台55kw离心式抽水泵作并联运行，电动机分别采用Y一起动，其中一台作备用.另外泵站有4台11kw冷却风机作水温冷却用.试验时对4台泵电机和2台风机进行了控制.根据对泵站的能量分析，系统采取以下方法来达到节能目的。(l)设定一台泵为调节泵，以冷却

39、水温度作为调节参数由于冷却水的水温变化惯性非常大，水温变化所需时间较长.调节泵全额运行，全通流量，使水温缓慢下降，至设定温度下限时关闭调节泵，水温缓慢上升，至设定温度上限时，开启调节泵，使调节泵处于间歇工作状态来达到节电目的.(2)调节泵采用软起动节电装置由于泵电机实际运行在满载以下(约60%左右)，调节泵采用软起动节电装置，其目的除解决间隙工作时泵电机起动和停止所遇到的冲击电流问题外，同时在泵电机轻载运行时能够自动根据负载状态调节功率因数，供给电动机的电压自动调整到全速运行所需的最小值，减小不必要的损耗，使功率因数达到较高值.(习采用PLC对4台泵电机和2台风机进行自动控制冷却水的温度变化与

40、水的流量和冷却风机的运行数量有关，而后者对水温影响更大.测试结果表明，当50%风机运行时，即使流量增加，水温的超调量要比100%风机运行时大得多，如图2.10所示.图2.10 水温变化曲线采用可编程控制器对泵电机和风机进行自动控制，能够有效地通过水温的实时检测，达到节电的目的.同时为避免水温超调量对控制模式的影响，控制器采用软件屏蔽技术，根据水温的上升梯度，自动调控电机和风机的“开”或“关”，以避免电机过于频繁的起动和停止.对于冷冻水系统,其出水温度取决于蒸发器的设定值,而回水温度取决于蒸发器接收的热量,中央空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为 5(比如:出水 7,回水 12),

41、现采用在蒸发器出水管和回水管上装有检测其温度的变送器、PID 温差调节器和变频器组成闭环控制系统,通过冷冻水温差(如 T=5)控制,即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化45(如图2)。对于冷却水系统,由于低温冷冻水的温度取决于冷却塔的工作情况,我们只需控制高温冷冻水(冷凝器出水)的温度,即可控制温差。现采用温差变送器、PID 调节器和变频器组成闭环控制系统,冷凝器出水的温度控制在 T2(如 37),使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化45(如图2.11)。在管道中取压力信号采样和温差变送器,通过 PID 调节器进行优化计算,通过PLC 控制变频器,以此控制 3 台水泵电机的运行,系

42、统启动开始工作,当第 1 台电机运行至工频状态时,如管网压力不够,变频器控制 2 台电机开始工作,若工作到工频状态时管网管压仍不够时,变频器自动切换至第 3 泵使其变频运行,第 1、第 2 台电机工频运行,直至管网所需管压。当外部需求降低,管网管压提高时,第 3 台运行停止,变频器自动切换至第 2 泵,使其工作在变频状态下,若还达不到要求,再切换至第1 电机,如此周而复始,始终让系统工作在最优、最佳、最省的工作状态。图2.11冷却水泵控制方案图2.7.2 PLC控制系统的其他特点数据显示功能:显示机组的运行参数,包括冷水出口温度、冷水入口温度、冷却水出口温度、冷却水入口温度、蒸汽压力、蒸汽阀门

43、开度,以及溶液泵、冷剂泵等所有屏蔽泵的运行状态和各种故障报警的详细信息。历史数据的存储及检索功能:对重要的数据进行在线存储,数据的存储时间最长为 10 年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式检索历史数据。控制功能:根据设定的参数,并考虑经验运行数据,PLC 应用反馈数据(如室内温度等)进行 PID 调节,以保证运行参数满足系统要求。控制系统有三种运行方式:就地手动、软手动和自动。就地手动就是通过就地手动操作设备对机组进行控制,软手动是通过 PLC 对机组进行手动控制,自动则是根据编好的控制程序自动控制相关设备的启、停及调节量。采用程序控制方式,杜绝冷剂污染,有效便捷地实现冷水、冷却水的变频

44、控制。通过有效合理地开、停控制,达到启动速度快、停机时间短的目的,即能节省能耗,还能避免结晶,从而提高中央空调的安全性和经济性。连锁与保护功能。各机组相关设备的启、停具有一定的连锁关系和时间顺序,该功能由 PLC 的连锁程序完成。同时,为保证机组的可靠运行,对相关参数采取了一定的保护措施,如冷水、冷却水与机组的连锁控制、冷却水系统与冷却塔的连锁控制等。2.7.3 主要部分PLC程序设计：1) 冷冻水出回水和冷却水进出水的温度检测及温差计算程序2) FX2N-4DA4通道的D/A转换模块程序分析3) 手动调速PLC程序分析（以冷却泵为例）4) 手动调速和自动调速的切换程序5) 温差自动调速程序（

45、以冷却泵为例说明）6) 冷冻泵和冷却泵的变频器运行和停止控制7) 变频器的保护和故障复位控制2.7.4 人机界面设计 在工艺过程日趋复杂、对机器和设备功能的要求不断增加的环境中，获得最大的透明性对操作员来说至关重要。人机界面（H M I ）提供了这种透明性。触摸屏是基于PLC 的软硬一体人机界面，能以图形界面形式实现各种工作状态的显示，并具有使用方便、人机对话界面友好、组态方便、可以与PLC进行良好通讯以及能适应车间工作环境等特点。通过触摸屏可以实现对中央空调水系统变频控制系统的状态显示和操作控制。 MP277 触摸屏是西门子公司一款基于Microsoft Windows CE 5.0 操作系

46、统的64K 色多功能T F T 面板，上面配置了PROFIBUS 接口、用于连接PROFINET的以太网接口、2个USB 端口等丰富的接口，可以实现多种用途并具有很高的性价比。 MP277 需要使用组态软件Win CC flexible 进行组态7。Win CC flexible是一种视窗下的创新性HMI 软件，可用于工厂和机械工程中机器级的操作员控制和自动化过程监测。这种工程软件允许对基于视窗的所有SIMATIC HMI 操作员面板进行集成组态从最小型的微型面板到PC解决方案。触摸屏的变量输入、信息显示及操作画面的定义等操作功能由Win CC flexible组态软件来完成。触摸屏组态画面总

47、共有4幅，分别为1# 系统画面、2# 系统画面、3# 系统画面和报警画面，前3 幅画面实现的功能相同，只是对应不同的系统。图2.12和图2.13分别为系统操作界面和报警画面。Win CC flexible 中可以设置错误（Error）和报警（Alarm）以不同的颜色显示，并且每类消息都可以设定不同颜色以区分正在发生、已经得到应答或已经离去的报警和错误。 图2.12 系统操作界面图2.13 报警画面4操作时，触按操作画面中冷冻、冷却系统和冷却塔的相应位置将弹出对应的参数设定界面，可进行手自动转换、温差和压差设定、冷却塔温度上下限设定等。触摸屏和PLC 之间的数据交互通讯通过外部变量实现。每个外部变量带有链接的PLC 地址，如整数型对应PLC 内存地址中一个字，离散型对应P